1、电磁组 南昌大学大学游龙队技术报告电磁第七届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛技术报告学 校： 南昌大学队伍名称: 游龙参赛队员： 王宇腾 梁瑞峰 李贵荣指导老师： 武和雷刘国平关于技术报告和研究论文使用授权的说明 本人完全了解第六届“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车邀请赛关保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会和飞思卡尔半导体公司可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛模型车的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名： 带队教师签名： 日 期： 、第一章 引言1.1 智能汽车制作情况概述智能汽车以比赛
2、组委会提供的飞思卡尔16位微控制 MC9S12XS128maa为控制器，采用加速度计和陀螺仪进行平衡控制，电感传感器进行赛道路径检测，电机的运动速度和运动方向。电机驱动芯片选用BTS7960,同时使用MC9S12XS128maa单片机的PWM模块，运用PID控制算法，控制电机的转速，完成对智能汽车运动速度和运动方向的闭环控制。系统还扩展了蓝牙模块作为人机操作界面，以便于智能小车的相关参数调整。1.2 文献综述针对本次飞思卡尔智能汽车比赛，主要存在的技术问题就是如何设计出合理的传感器队赛道信息做出正确及时的判断，如何控制舵机和电机在最优的线路上以最短的时间通过赛道。对于S12 芯片的寄存器设置和
3、操作，参考了飞思卡尔的S12用户使用手册。由于选择采用电感传感检测赛道上20Khz的方波，最终完成对赛道信息的判断，学习的电磁原理的相关书籍，即李仕伯.马旭.卓晴.著基于磁场检测的寻线小车传感器布局研究，并且参考了竞赛组秘书处技术组的20KHz 电源参考设计方案。在选择传感器时，我们研究了宋文绪，杨帆传感器与检测技术。邵贝贝1文中详细介绍了如何在S12 系列单片机上进行程序代码编译和CodeworriorIDE 编译器使用方法，对程序调试和软件开发提供了很好的参考。1.3 技术报告结构技术报告以智能汽车的设计为主线，包括小车的构架设计、硬件设计、软件设计，以及控制算法研究等，分为六章。其中，第
4、一章为引言部分，第二章主要介绍了小车的总体设计方案以及车模的相关参数，第三章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，其中包括机械改造，电路设计两大部分，第四章对小车的软件设计思想和相关算法进行介绍，第五章详细介绍了赛车系统开发的调试工具。第二章 智能汽车系统整体方案设计2.1 设计要求 在本次的飞思卡尔第六届智能汽车的比赛中，要求参赛队伍设计的智能汽车具有自动循迹的功能，跑道下铺有20Khz的方波电源信号线，在引导线周围激起交变的磁场，从而通过检测此磁场引导车辆行驶。使用电磁场作为引导智能车的优点，主要体现在磁场信号具有很好的环境适应性，不受光线、温度、湿度等环境因素的影响。智能车系统的方案设计要求
5、就是智能车将采集的信号作出正确合理的处理，使其快速稳定的行驶。因此，能沿着方波信号线自动行驶是前提，想要取得较好的成绩还得尽量提高智能小车的运行速度。2.2 智能汽车系统总体设计 根据电磁车循迹的要求，电磁车设计包括赛车的设计和恒流源的设计。 根据电磁传感器方案设计，赛车共包括六大模块：电磁传感器模块、速度传感器、MC9S12XS128模块，电机驱动模块、电源管管理模块，倾角传感器模块。其中系统结构框图如下：各个模块的作用如下所示：1. 电磁传感器模块：在该模块中对采集到的信息进行处理，一次信息来判断当前智能小车所出赛道的变化趋势、小车的当前速度转角的信息。将处理得到的信息传给单片机以采取相应
6、的控制决策。 2. 速度传感器：选择100线或500线光电编码器，采集当前的电机速度，作为系统速度控制的反馈。同时与设置的目标速度作比较，选择合适的算法使其变化为目标速度，从而实现电机的加速减速。 3. MC9S12XS128模块：S12 单片机是系统的核心部分。它负责接收赛道信息数据，赛车速度，倾角大小等反馈信息，并对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来驱动电机进行控制。4. 驱动模块：在该模块中包括了驱动电机BTS7960，当接收到单片机的命令后便执行相应的操作，同时信息采集模块又采集到电机的状态信息，反馈给单片机 。从而整个系统构能够形成一个闭环系统，保证了小车的平稳运行。5. 电
7、源管管理模块：为了使各模块正常工作，必须供给各自所需的电压，我们采用了5V和3.3V稳压。 6. 倾角检测模块：通过加速度计和陀螺仪采集倾角相关数据，进行融合处理，及时控制电机从而达到小车的平衡，进而达到控速的目的。2.3 智能汽车机械结构设计机械结构在很大程度上影响着小车的速度与转向特性，在准备比赛初期，由于没有经验，单纯为了传感器的稳定，使用了印刷电路板放在小车前面，导致小车的重心偏前，转弯过程不协调。为此，我们选择改用质量较轻的碳纤管作为支撑材料。此外，为了解决模型车的前轮倾角，差速的松紧等问题，我们在参考往届赛队的基础上，通过不断实践将小车的机械结构调整到最佳的状态。智能汽车结构特点：
8、小车重心的调整：我们在调试的时候发现，降低重心可以大大减少小车在高速过弯时小车冲出赛道的几率。鉴于此，我们调整了小车电池位置，将其放在小车后面，而且位置放到了几乎最低，这样小车在转弯的时候不会因为离心力而侧翻，这点是后期提速的关键。传感器的调整：传感器作为模型车控制的重中之重，就像是一个人得眼睛。要想跑得快，就得看得远。为此，我们在车模整体结构允许的情况下，尽可能的加长了传感器的构造，优化了智能车的前瞻效果，这种方案的优越性，在模型车转弯和控速方面体现的尤为明显。如下图，我们通过改变重心的办法来达到转弯调速不侧翻问题，通过选择适合杆长达到控制前瞻。第三章 智能汽车硬件设计3.1驱动模块 驱动芯
9、片的选择直接影响小车的加速效果，智能车大赛的主要标准就是速度，因此驱动芯片至关重要。在准备过程中我们反复试验了若干的电机驱动芯片，最终选择了使用 BTS7960，原理图如下： 驱动模块原理图3.2测速模块好的控速效果是建立在精确的反馈的基础上的，同时也是各种速度控制算法的基础。在初期的调试阶段，我们用自制的光电码盘配合光电管和比较器获取小车的当前速度，但我们发现这种方法产生的信号并不整齐，影响速度的采集。最后我们放弃了这种方案而改用信号比较整齐精确的光电编码器来测速。我们采购到了双向500线的光电编码器。XS128有16位的脉冲累加器，我们将从光电编码器输出的信号接至PT7口，在单片机软件设计
10、中，每隔20ms将脉冲累加器中的值读回并将寄存器清零。这样就能获取光电编码器20ms的发出的脉冲，进而根据齿轮的比例就能计算出小车的实际速度。光电编码器的电路如0图3.3所示： 图3.3 测速模块电路图3.3电源设计方案 电源电路包括振荡电路、功率输出电路、恒流控制电路以及电源等组成。1振荡电路震荡电路部分采用NE555产生。2.功率输出 功率输出部分采用L298。3.恒流控制电路 恒流控制电路由限流电阻操控。 信号源原理图3.4电磁传感器的设计 (1)导线周围的电磁场根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。磁导航自平衡车路径导航的交流电流频率为20kHz，产生的电磁波属于甚
11、低频（VLF）电磁波。甚低频频率范围处于工频和低频电磁破中间，为3kHz30kHz，波长为100km10km。如图3-5-所示：图3-5 电流周围的电磁场示意图导线周围的电场和磁场，按照一定规律分布。通过检测相应的电磁场的强度和方向可以反过来获得距离导线的空间位置，这正是笔者进行电磁导航的目的。由于引导线导航电线和平衡车尺寸l 远远小于电磁波的波长 ，电磁场辐射能量很小（如果天线的长度l 远小于电磁波长，在施加交变电压后，电磁波辐射功率正比于天线长度的四次方），所以能够感应到电磁波的能量非常小。为此，笔者将导线周围变化的磁场近似缓变的磁场，按照检测静态磁场的方法获取导线周围的磁场分布，从而进行
12、位置检测。由毕奥-萨伐尔定律知：通有稳恒电流I 长度为L 的直导线周围会产生磁场，距离导线距离为r 处P 点的磁感应强度为： （4.1）图3-6 直线电流的磁场由此得，对于无限长直电流来说，则有 （4.2）图3-7 无限长导线周围的磁场强度在上面示意图中，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大小相同，并随着距离导线的半径r 增加成反比下降。(2)磁场检测方案分析现在有很多测量磁场的方法，磁场传感器利用了物质与磁场之间的各种物理效应：磁电效应（电磁感应、霍尔效应、磁致电阻效应）、磁机械效应、磁光效应、核磁共振、超导体与电子自旋量子力学效应。下面列出了一些测量原理以及相应的传
13、感器：(a)电磁感应磁场测量方法：电磁线磁场传感器，磁通门磁场传感器，磁阻抗磁场传感器。(b)霍尔效应磁场测量方法：半导体霍尔传感器、磁敏二极管，磁敏三极管。(c)各向异性电阻效应（AMR）磁场测量方法。(d)载流子自旋相互作用磁场测量方法：自旋阀巨磁效应磁敏电阻、自旋阀三极管磁场传感器、隧道磁致电阻效应磁敏电阻。(e)超导量子干涉（SQUID）磁场测量方法：SQUID 薄膜磁敏元件。(f)光泵磁场测量方法：光泵磁场传感器。(g)质子磁进动磁场测量方法。(h)光导纤维磁场测量方法。以上各种磁场测量方法所依据的原理各不相同，测量的磁场精度和范围相差也很大。笔者需要选择适合平衡车的检测方法，除了检
14、测磁场的精度之外，还需要对于检测磁场的传感器的频率响应、尺寸、价格、功耗以及实现的难易程度进行考虑。引导线中的100ma电流产生的磁场强度很小，常见的很多检测方法，并不能准确的识别出来。在下面所介绍的检测方法中，笔者选取电磁感应线圈的方案。它具有原理简单、价格便宜、体积小（相对小）、频率响应快、电路实现简单等特点。通电导线周围的磁场是一个矢量场，场的分布如图四所示。如果在通电直导线两边的周围竖直放置两个轴线相互垂直并位于与导线相垂直平面内的线圈，则可以感应磁场向量的两个垂直分量，进而可以获得磁场的强度和方向。图3-8 导线周围的感应电磁场导线中的电流按一定规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化
15、，则线圈中将感应出一定的电动势。 根据法拉第定律，线圈磁场传感器的内部感应电压E 与磁场B(t) 、电磁线圈的圈数N 、截面积A 的关系有： （4.3） 感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。由于本设计中导线中通过的电流频率较低，为20kHz，且线圈较小，令线圈中心到导线的距离为 r ，认为小范围内磁场分布是均匀的。再根据图3 所示的导线周围磁场分布规律，则线圈中感应电动势可近似为 （4.4）即线圈中感应电动势的大小正比于电流的变化率，反比于线圈中心到导线的距离。其中常量K 为与线圈摆放方法、线圈面积和一些物理常量有关的一个量，笔者将线圈与引导线垂直放置，这样可以保证获得较大的感应电动势，具体
16、的感应电动势常量须实际测定来确定。(3)双水平线圈检测方案不同的线圈轴线摆放方向，可以感应不同的磁场分量。笔者先讨论一种最简单的线圈设置方案：双水平线圈检测方案。在平衡车前上方水平方向固定两个相距L 的线圈，两个线圈的轴线为水平，高度为h 。为了讨论方便，笔者在引导线上建立如下的坐标系，假设沿着引导线前进的方向为z轴，垂直引导线往上为y轴，在引导线平面内垂直于跑到中心线为x轴。xyz轴满足右手方向。假设在平衡车前方安装两个水平的线圈。这两个线圈的间隔为L，线圈的高度为h，参见下图5所示。左边的线圈的坐标为（x,h,z），右边的线圈的位置(x-L,h,z)。由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所
17、以在计算磁场强度的时候笔者仅仅考虑坐标(x,y)。由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。根据公式可以知道感应电动势大小与成正比。图3-9 感应线圈布置方案假设h=5cm,，计算感应电动势随着线圈水平位置x 的变化取值，如图3-10所示：图3-10 线圈中感应电动势与它距导线水平位置x 的函数如果只使用一个线圈，感应电动势E 是位置x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值x 的大小，无法分辨左右。为此，笔者可以使用相距长度为L 的两个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值： （4.5）下面假设L = 30cm ,计算两个线圈电动势差值如图3-11所示：图3-11 感应电动
18、势差值与距离x之间的函数从图3-11可以看出，当左边线圈的位置x = 15cm的时候，此时两个线圈的中心恰好处于引导线中央，感应电动势差值 为0。当线圈往左偏移,x (15,30) ，感应电动势差值小于零；反之，当线圈往右偏移,x (0,15) ，感应电动势大于零。因此在位移030cm 之间，电动势差值与位移x 是一个单调函数。可以使用这个量对于平衡车转向进行负反馈控制，从而保证两个线圈的中心位置跟踪引导线的中心线。通过改变线圈高度h ,线圈之间距离L 可以调整位置检测范围以及感应电动势的大小。传感器安装主要考虑以下几方面的因素：1. 重心位置，应该尽量降低重心；2. 尽量将传感器放到最远处以
19、得到最及时的赛道信息；3. 为适应信号的处理适当调整架子的高度；4. 从车身内部引出支架使架子更加牢固不致信号不稳定；5. 安装架材料的选择，尽量减轻重量，提高抗碰撞能力。 （4.5）从公式4.5可以看出，信号采集模块的安放高低，会影响信号的变化趋势。安放得越高，采集到的磁场变化越缓慢，即在边缘的电压信号也较强，比较有利于AD采集。考虑到这些问题，我们在安放这部分电路时，有意在高度上提升高度。但是由于考虑重心的问题，又不能把这部分电路安放得太高。所以在开始安放选择了10cm的高度，支架采用碳素纤维材质，尽量的减轻重量，减小了车辆的转动惯量，有利于车辆转弯。图3-18 RLC并联谐振电路上述电路
20、中，E 是感应线圈中的感应电动势，L 是感应线圈的电感量，R0 是电感的内阻，C 是并联谐振电容。上述电路谐振频率为：。已知感应电动势的频率0 f = 20kHz ，感应线圈电感为L =10mH ，可以计算出谐振电容的容量为： （4.5）通常在市场上可以购买到的标称电容与上述容值最为接近的电容为6.8nF，所以在实际电路中笔者选用6.8nF 的电容作为谐振电容。为了验证RLC 选频电路的效果，笔者对比了在有和没有谐振电容两种情况下的电感输出的感应电压。在导线中通有20kHz 左右，100mA 左右方波电流，在距离导线50mm 的上方放置垂直于导线的10mH 电感，使用示波器测量输出电压波形。如
21、图3-19所示。 (a) 没有谐振电容时感应电压输出 （b）有谐振电容时感应电压输出图3-19 测量感应线圈两端的感应电压从上面结果可以看出，增加有谐振电容之后，感应线圈两端输出感应20KHz电压信号不仅幅度增加了，而且其它干扰信号也非常小。这样无论导线中的电流波形是否为正弦波，由于本身增加了谐振电容，所以除了基波信号之外的高次谐波均被滤波除掉，只有基波20kHz 信号能够发生谐振，输出总是20KHz 正波。下面是我们制作的磁检测模块的电路原理图： 电磁检测模块原理图3.5倾角控制模块图4：加速度传感器原理在本方案中，我们倾角的测量选用了三轴加速度计MMA7260，MMA7260是一款量程可选
22、，模拟量输出的加速度传感器，有睡眠模式等功能。利用重力方向始终垂直于地面这一特性，可以计算出当前传感器偏离垂直方向的角度。仅采用单轴的信息，角度可以通过下面的公式acc=arcsin（Az）算出偏离的角度，但是范围的限制是-90度到90度，超出范围的部分将会出错。如果利用双轴的信息可以做到没有范围的限制，此时有：acc=arctan2（Ax，Az） 电路原理图如下：倾角速度的可以利用陀螺仪检测，陀螺仪能测量旋转运动角速度，角速度的输出量随旋转速度增加而增加，通过把其输出的角速度进行积分从而得到当前的加速度状态，输出数据具有噪声小，短时间误差小的特点。但是陀螺仪以及相匹配的放大电路有较大的漂移现
23、象，同时我们对数据积分会产生累计误差，使得随时间推移，误差过大而数据失效。由于陀螺仪易产生累积误差，我们可以通过上面的加速度传感器获得的角度信息对此进行校正。通过对比积分所得到的角度与重力加速度所得到的角度，使用它们之间的偏差改变陀螺仪的输出，从而积分的角度逐步跟踪到加速度传感器所得到的角度。也就是将加速度计传感器与陀螺仪进行数据融合来检测小车运动状态，用加速度计传感器长时间稳定的特性来有效弥补陀螺仪的零点漂移，也用陀螺仪短时间准确来弥补加速度计传感器短时间误差大，同时还能获得小车的旋转角速度的数据。陀螺仪我们采用了单轴角速度传感器ENC03-RC，该传感器由著名的飞思卡尔半导体公司生产，其工
24、作电压：2.7V5.25V，灵敏度：0.67mV/deg/s，最大响应频率：50Hz。实物图及实际典型硬件电路如下， 图5：角速度传感器以及参考电路图中的电阻和电容构成了一个高通滤波和一个低通滤波，有利于抑制陀螺仪的漂移和噪声干扰。在实际使用过程中，直接是使用了运放同相放大电路放大了3倍，然后使用12位的A/D进行采样。运算放大器使用了AD0806，AD0806有较大的增益带宽和不错的压摆率，重要的是AD0806是低噪声满摆幅的轨到轨运放。为了减小的陀螺仪的漂移，我们将放大倍数改为2倍，AD采用12位精度，经试验，可以满足要求。电路中也加入硬件滤波部分，用软件和硬件相结合来实现的。此外，陀螺仪
25、是温度敏感器件，在应用时要注意远离热源，保持温度恒定。电路原理图如下： 3.6飞思卡尔MC9S12XS128maa最小系统最小系统市场上直接购买的最小系统，核心控制采用Freescale的MC9S12XS128maa型号16位单片机，5V电压供电。单片机内部资源有：128KB的FLASH、8KB的RAM、8KB的DATA FLASH、总线频率为40MHz，内部有CAN总线、SCI、SPI，8路12位A/D、8路8位PWM输出（在实际使用时，为了提高输出精度将两路PWM合并为一路则有4路16位PWM输出）、16位定时器、2路PIT。可见，此单片机有很丰富的资源，可以满足整个系统的需求。第四章 智
26、能汽车软件设计4.1软件流程软件运行需要配置单片机各个模块寄存器数值，使单片机各个模块正常工作。初始化中包括：单片机时钟配置、I/O口配置、PWM模块配置、A/D模块配置、PIT实时中断配置、脉冲捕捉模块配置。当初始化完毕后，开始对传感器输入信号进行采样，当完成一次采样后将采样值输入控制算法，控制算法经过运算得到应该控制的电机速度，通过改变PWM模块内部寄存器数值可以得到不同占空比的方波信号，实现电机的调节与控制。/*中断服务程序*/定时器0中断/*中断分为5个阶段，分别进行不同的控制，防止干扰、共振1、方向控制2、gyro，acc滤波3、直立控制（KMF，PD，PWM）4、进行电机调节，co
27、unt+（count=20时，count=0，进行速度控制）5、码盘读取，LC滤波处理*/#pragma CODE_SEG NON_BANKEDvoid interrupt 66 PIT0_IT(void) static unsigned char i = 0; static unsigned int AD_Gyro_Sum = 0,AD_Gyr1_Sum = 0 ,AD_AccY_Sum = 0, AD_AccZ_Sum = 0, AD_Sensor1_Sum = 0, AD_Sensor2_Sum = 0, AD_Sensor3_Sum = 0, AD_Sensor4_Sum = 0; s
28、tatic unsigned char count1= 0, count2 = 0; EnableInterrupts;/允许中断嵌套 PITTF_PTF0 = 1; /clear flag switch(count1) case 0: EncoderRead(); DirectionControl(); break; case 1: for(i=0;i10;i+) while(!ATD0STAT0_SCF); AD_Gyr1_Sum = AD_Gyr1_Sum + (ATD0DR1&0x0fff); AD_Gyro_Sum = AD_Gyro_Sum + (ATD0DR0&0x0fff);
29、AD_AccZ_Sum = AD_AccZ_Sum + (ATD0DR2&0x0fff); AD_AccY_Sum = AD_AccY_Sum + (ATD0DR3&0x0fff); AD_Gyr1 = AD_Gyr1_Sum/10.0; AD_Gyro = AD_Gyro_Sum/10.0; AD_AccY = AD_AccY_Sum/10.0; AD_AccZ = AD_AccZ_Sum/10.0; AD_Gyr1_Sum = 0; AD_Gyro_Sum = 0; AD_AccY_Sum = 0; AD_AccZ_Sum = 0; break; case 2: Kalman_Filter
30、(); StandControl(); break; case 3: SpeedControl(); Motor_L.PWM = Motor_L.Stand_PWM + Motor_L.Speed_PWM + Motor_L.Direction_PWM; Motor_R.PWM = Motor_R.Stand_PWM + Motor_R.Speed_PWM + Motor_R.Direction_PWM; MotorControl();/进行电机调节，控制PWM，其他地方仅进行计算，不调节 break; case 4: for(i=0;i10;i+) while(!ATD0STAT0_SCF)
31、; AD_Sensor1_Sum = AD_Sensor1_Sum + (ATD0DR4&0x0fff); AD_Sensor2_Sum = AD_Sensor2_Sum + (ATD0DR5&0x0fff); AD_Sensor3_Sum = AD_Sensor3_Sum + (ATD0DR6&0x0fff); AD_Sensor4_Sum = AD_Sensor4_Sum + (ATD0DR7&0x0fff); AD_Sensor1 = AD_Sensor1_Sum/10.0; AD_Sensor2 = AD_Sensor2_Sum/10.0; AD_Sensor3 = AD_Sensor3_Sum/1
